KR20150021030A - 리튬 이온 배터리 - Google Patents

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에리 파워 가부시키가이샤
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Abstract

본 리튬 이온 배터리는: 양극과 음극이 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 적층된 구조를 갖는 발전 요소; 양극에 접속된 양극 집전체; 음극에 접속된 음극 집전체; 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체를 묶은 수축 튜브; 비수성 전해액; 및 발전 요소, 양극 집전체, 음극 집전체, 수축 튜브, 및 비수성 전해액을 수용하는 배터리 케이스를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 본 리튬 이온 배터리는 양극 집전체 및 음극 집전체가 배터리 케이스에 부착되고, 수축 튜브가 이음매 없는 튜브인 것을 특징으로 한다.

Description

리튬 이온 배터리{LITHIUM ION BATTERY}
본 발명은 리튬 이온 배터리에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도 때문에 주목을 끌어왔고 활발하게 연구 및 개발되어 왔다. 또한 리튬 이온 배터리는 컴팩트한 어플리케이션(compact application) 예컨대, 랩톱 컴퓨터 및 휴대폰에서 사용을 위하여 편재되어 왔다. 전기 자동차, 스마트 홈 및 다른 것들의 출현으로, 대형 충전지는 최근에 시장에 의해 요구되고; 이에 따라, 대용량을 갖는 리튬 이온 배터리의 연구 및 개발이 진행되어 왔다.
전해액으로서 유기 용매를 사용하기 때문에, 리튬 이온 배터리는 운반되면서 응력에 의해 야기되는 배터리의 고장을 통해 발생된 발화의 위험을 포함할 수 있다. 이런 위험을 회피하기 위하여, 국제 연합 및 많은 국가들은 리튬 이온 배터리에 대한 운반 규정(예컨대 위험물의 운반에 대한 UN 지침)을 강요하고 배터리에 대한 다양한 시험 예컨대 배터리가 운반에 대하여 내구성이 있는지를 요구한다. 리튬 이온 배터리의 내충격성 및 내진성을 향상시키기 위하여, 많은 연구들이 실시된다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
대형 리튬 이온 배터리는 일반적으로 강성 재료로 제조된 배터리 케이스가 발전 요소 및 비수성 전해질을 수용하고, 발전 요소가 집전체에 접속되는 구조를 갖는다. 일단 배터리에 진동이 가해짐으로써 배터리 케이스 안의 발전 요소를 진동시키면, 배터리는 다음과 같은 위험 요소를 가질 수 있다: 발전 요소와 집전체 사이의 접합이 손상되고; 집전체가 손상된다.
리튬 이온 배터리의 내진성을 향상시키기 위하여, 수축 필름은 배터리 케이스에서 발전 요소 및 집전체들을 함께 덮고 묶는 데에 사용될 수 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조). 수축 필름이 발전 요소 및 집전체들을 함께 묶을 수 있기 때문에, 발전 요소의 진동은 억제되면서 배터리에 진동이 가해져서, 그 결과로 리튬 이온 배터리는 내진성에 있어 향상된다.
발전 요소 및 집전체를 함께 덮고 묶은 수축 필름은 다음과 같이 제공된다: 1장의 필름은 발전 요소 및 집전체를 포장하고; 필름의 중첩부는 접착되거나 융착되며; 필름은 전체 필름이 수축되는 것을 허용하기 위하여 수초 내지 수십초 동안 수축 온도보다 높은 온도로 가열된다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개공보 2011-216239호 특허문헌 2 : 일본 특허 공개공보 2010-231946호
종래의 수축 필름을 구비한 리튬 이온 배터리의 내진성은 장기간 동안 배터리에 진동이 연속적으로 가해진다면 감소될 수 있다.
본 발명은 상기에 서술된 상황을 고려하여 발명되고, 장기간 동안 배터리에 진동이 연속적으로 가해질 때조차 내진성이 감소되지 않는 리튬 이온 배터리를 제공하는 것이다.
본 발명은 양극과 음극이 그 사이에 개재된 세퍼레이터(separator)와 적층된 구조를 갖는 발전 요소; 양극에 접속된 양극 집전체; 음극에 접속된 음극 집전체; 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체를 함께 묶은 수축 튜브; 비수성 전해질; 및 발전 요소, 양극 집전체, 음극 집전체, 수축 튜브, 및 비수성 전해질을 수용하는 배터리 케이스를 포함하되, 양극 집전체 및 음극 집전체는 배터리 케이스에 고정되고, 수축 튜브는 이음매 없는 튜브인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리를 제공한다.
본 발명의 리튬 이온 배터리는 양극과 음극이 적층되고 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 갖는 적층된 구조를 갖는 발전 요소; 양극에 접속된 양극 집전체; 음극에 접속된 음극 집전체; 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체를 함께 묶은 수축 튜브; 비수성 전해질; 및 발전 요소, 양극 집전체, 음극 집전체, 수축 튜브, 및 비수성 전해질을 수용하는 배터리 케이스를 포함하고; 이에 따라, 발전 요소는 양극 집전체 및 음극 집전체를 통해 충전 및 방전될 수 있다.
또한 본 발명의 리튬 이온 배터리는 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체를 함께 묶은 수축 튜브를 포함하고; 양극 집전체 및 음극 집전체는 배터리 케이스에 고정되며; 이에 따라, 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체는 묶음으로 배터리 케이스에 고정될 수 있어, 그 결과로 진동을 배터리에 인가하자마자, 발전 요소의 진동은 억제되고; 리튬 이온 배터리는 내진성에 있어 향상된다.
본 발명의 수축 튜브는 이음매 없는 튜브이고 이음매 조인트를 갖지 않으며; 이에 따라, 장시간 동안 배터리에 진동이 연속적으로 가해지더라도 수축 튜브는 스플리팅되는(split) 것이 방지되고; 수축 튜브는 리튬 이온 배터리의 내진성을 향상시킬 수 있다. 이런 효과는 본 발명의 발명자에 의해 실시된 진동 시험에 의해 입증되었다.
도 1은 본 발명의 구체예를 예시하는 리튬 이온 배터리의 개략 평면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 구체예를 예시하는 리튬 이온 배터리의 개략 측면도를 도시한다.
도 3은 도 1의 점선 A-A을 따라 취해진 리튬 이온 배터리의 개략 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 구체예를 예시하는 리튬 이온 배터리에 포함된 양극 집전체 및 음극 집전체의 개략 단면도를 도시한다.
도 5는 도 2의 점선 B-B를 따라 취해진 리튬 이온 배터리의 개략 단면도를 도시한다.
도 6은 도 2의 일점쇄선 C-C를 따라 취해진 리튬 이온 배터리의 개략 단면도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 구체예를 예시하는 리튬 이온 배터리에 포함된 발전 요소의 구조의 설명도를 도시한다.
도 8(a)는 본 발명의 구체예를 예시하는 리튬 이온 배터리에 포함된 양극의 개략 평면도를 도시하고, 도 8(b)는 도 8(a)의 점선 D-D를 따라 취해진 양극의 개략 단면도를 도시한다.
도 9(a)는 본 발명의 구체예를 예시하는 리튬 이온 배터리에 포함된 음극의 개략 평면도를 도시하고, 도 9(b)는 도 9(a)의 점선 E-E를 따라 취해진 음극의 개략 단면도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 구체예를 예시하는 리튬 이온 배터리의 제조 방법의 일부를 대략 설명하는 도면을 도시한다.
본 발명의 리튬 이온 배터리는 양극과 음극이 그 사이에 개재된 세퍼레이터(separator)와 적층된 구조를 갖는 발전 요소; 양극에 접속된 양극 집전체; 음극에 접속된 음극 집전체; 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체를 함께 묶은 수축 튜브; 비수성 전해질; 및 발전 요소, 양극 집전체, 음극 집전체, 수축 튜브, 및 비수성 전해질을 수용하는 배터리 케이스를 포함하되, 양극 집전체 및 음극 집전체는 배터리 케이스에 고정되고; 수축 튜브는 이음매 없는 튜브인 것을 특징으로 한다.
양극 집전체 및 음극 집전체가 그 사이에 발전 요소를 개재하기 위한 방법으로 배치되고, 수축 튜브가 양극 집전체, 음극 집전체, 및 발전 요소를 둘러싸는 것이 본 발명의 리튬 이온 배터리를 위하여 바람직하다.
이런 구조는 수축 튜브가 양극 집전체, 음극 집전체 및 발전 요소를 함께 묶는 것을 가능하게 하고, 리튬 이온 배터리의 내진성을 향상시킨다.
수축 튜브가 발전 요소, 양극 집전체 및 음극 집전체에 밀착되는 것이 본 발명의 리튬 이온 배터리를 위하여 바람직하다.
이런 구조는 수축 튜브가 양극 집전체, 음극 집전체 및 발전 요소를 함께 묶는 것을 가능하게 하고 리튬 이온 배터리의 내진성을 향상시킨다.
수축 튜브가 두께가 30㎛ 이상 200㎛ 이하인 필름으로 제조되는 것이 본 발명의 리튬 이온 배터리를 위하여 바람직하다.
이런 구조는 리튬 이온 배터리의 진동에 의해 야기된 수축 튜브의 스플리팅(spliting)을 억제한다.
본 발명의 리튬 이온 배터리에 있어, 배터리 케이스는: 개구를 갖는 케이스; 및 개구를 폐쇄하기 위한 뚜껑 부재를 포함하고; 양극 집전체 및 음극 집전체는 뚜껑 부재에 고정되는 것이 바람직하다.
이런 구조는 발전 요소가 양극 집전체 및 음극 집전체에 접속하는 것을 가능하게 하고(집전체들의 모두는 뚜껑 부재에 고정된다), 집전체들 및 발전 요소가 수지 필름으로 함께 묶여지는 것을 가능하게 하여서, 그 결과로 제조 비용이 감소될 수 있다.
본 발명의 리튬 이온 배터리에 있어, 수축 튜브가 열수축되어 양극 집전체, 음극 집전체, 및 발전 요소를 함께 묶는 것이 바람직하다.
이런 구조는 수축 튜브를 수축시킴으로써 집전체들과 발전 요소 사이의 밀착도(closeness)를 증가시킬 수 있어, 그 결과로 수축 튜브는 리튬 이온 배터리에 인가된 진동에 의해 야기된 집전체들과 발전 요소 사이의 접합에 대한 영향을 억제할 수 있다. 더욱이, 이음매 없는 수축 튜브는 융착부와 미융착부 사이에 수축율에 있어 차이에 의해 야기된 응력을 제거하고; 이에 따라, 이음매 없는 수축 튜브는 문제점, 예컨대 이음매 조인트에서의 스플리팅을 갖지 않는다. 이는 수율도 향상시킨다.
하기에서, 본 발명의 일 구체예는 도면들의 사용을 통해 설명될 것이다. 하기의 설명은 예시이고 도면들 및 하기의 설명에 대해서만 본 발명을 한정하는 것이 아니다는 것을 주목한다.
리튬 이온 배터리의 구조
도 1은 본 발명의 리튬 이온 배터리의 구조를 개시하는 개략 평면도를 도시하고; 도 2는 본 발명의 리튬 이온 배터리의 구조를 개시하는 개략 측면도를 도시한다. 도 3은 도 1의 점선 A-A을 따라 취해진 리튬 이온 배터리의 개략 단면도를 도시한다. 도 4(a)는 본 발명의 리튬 이온 배터리에 포함된 양극 집전체의 개략 단면도를 도시하고; 도 4(b)는 본 발명의 리튬 이온 배터리에 포함된 음극 집전체의 개략 단면도를 도시한다. 도 5는 도 2의 점선 B-B를 따라 취해진 리튬 이온 배터리의 개략 단면도를 도시하고; 도 6은 도 2의 일점쇄선 C-C를 따라 취해진 리튬 이온 배터리의 개략 단면도를 도시한다. 도 7은 본 발명의 리튬 이온 배터리에 포함된 발전 요소의 설명도를 도시한다. 도 8(a)는 본 발명의 리튬 이온 배터리에 포함된 양극의 개략 평면도를 도시하고 도 8(b)는 도 8(a)의 점선 D-D를 따라 취해진 양극의 개략 단면도를 도시한다. 도 9(a)는 본 발명의 리튬 이온 배터리에 포함된 음극의 개략 평면도를 도시하고; 도 9(b)는 도 9(a)의 점선 E-E을 따라 취해진 음극의 개략 단면도를 도시한다.
본 구체예의 리튬 이온 배터리(20)는 양극(21)과 음극(22)이 그 사이에 개재된 세퍼레이터(24)와 적층된 구조를 갖는 발전 요소(12); 양극(21)에 접속된 양극 집전체(3); 음극(22)에 접속된 음극 집전체(4); 발전 요소(12), 양극 집전체(3), 및 음극 집전체(4)를 함께 묶은 수축 튜브(15); 비수성 전해질(5); 및 발전 요소(12), 양극 집전체(3), 음극 집전체(4), 수축 튜브(15), 및 비수성 전해질(5)을 수용하는 배터리 케이스(17)를 포함하되, 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)는 배터리 케이스(17)에 고정되고; 수축 튜브(15)는 이음매 없는 튜브인 것을 특징으로 한다.
하기에서, 본 구체예의 리튬 이온 배터리(20)가 설명될 것이다.
1. 배터리 케이스, 양극 집전체, 및 음극 집전체
배터리 케이스(17)는 발전 요소(12)를 수용하기 위한 케이스(1)를 포함한다. 또한 배터리 케이스(17)는 뚜껑 부재(2)를 포함할 수 있다.
케이스(1)는 발전 요소(12), 양극 집전체(3), 음극 집전체(4) 및 비수성 전해질(5)을 수용할 수 있고, 뚜껑 부재(2)에 접합될 수 있다.
케이스(1)를 위한 재료는 케이스(1)가 발전 요소(12), 양극 집전체(3), 음극 집전체(4) 및 비수성 전해질(5)을 수용할 때조차 크게 변형되지 않는 재료이기만 하면 특별하게 한정되지 않고; 예를 들어, 금속 재료 예컨대, 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 철 합금, 또는 스테인리스 스틸; 니켈, 주석, 크롬, 아연 등으로 도금된 금속 재료; 또는 강성 플라스틱이 케이스(1)를 위한 재료로서 사용된다.
케이스(1)는 직사각형 형상 또는 실린더형 형상을 가질 수 있다.
케이스(1)는 발전 요소(12)를 케이스(1) 안에 삽입하기 위한 개구를 갖는다. 개구는 뚜껑 부재(2)에 의해 폐쇄된다. 따라서, 케이스(1)는 발전 요소(12)를 수용 할 수 있다.
뚜껑 부재(2)는 발전 요소(12)를 케이스(1) 안으로 삽입하기 위한 개구를 폐쇄한다. 또한 뚜껑 부재(2)는 케이스(1)를 밀봉하기 위하여, 예를 들어, 레이저 용접, 저항 용접, 초음파 용접, 또는 접착제에 의해 케이스(1)에 접합된다.
양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)는 뚜껑 부재(2)에 고정되면서 양극(21) 및 음극(22)은 각각, 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)에 고정되어, 발전 요소(12)는 양극 집전체(3), 음극 집전체(4), 외부 절연 부재들(10a, 10b), 및 내부 절연 부재들(11a, 11b)과 함께 뚜껑 부재(2)에 고정된다(도 3 참조). 이런 집적화는 케이스(1)가 발전 요소(12), 양극 집전체(3), 음극 집전체(4)를 수용하는 것을 가능하게 하고 동시에 뚜껑 부재(2)가 개구를 폐쇄하는 것을 가능하게 한다.
뚜껑 부재(2)는 외부 접속 단자들(8a, 8b)을 고정시킬 수 있고, 외부 접속 단자(8a)는 양극 집전체(3)에 전기적으로 접속되며; 외부 접속 단자(8b)는 음극 집전체(4)에 전기적으로 접속된다. 따라서, 리튬 이온 배터리(20)는 외부 접속 단자들(8a, 8b)를 통해 충전 및 방전될 수 있다.
양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)를 위한 재료는 특별하게 한정되지 않고; 하지만, 양극 집전체(3)는, 예를 들어, 알루미늄으로 제조될 수 있고; 음극 집전체(4)는, 예를 들어, 구리로 제조될 수 있다.
양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고; 하지만, 이런 집전체들은, 예를 들어, 금속 플레이트를 프레싱(pressing)함으로써 제조될 수 있다.
양극 집전체(3)는 예를 들어, 외부 접속 단자(8a)에 접속되기 위하여 뚜껑 부재(2) 상에 제공된 개구를 관통하는 돌출부(3a); 양극(21)에 접속되는 접속부를 갖는 족부(3c); 및 돌출부(3a)를 족부(3c)에 접속하는 집전체의 베이스부(3b)를 포함한다.
음극 집전체(4)는 예를 들어, 외부 접속 단자(8b)에 접속되기 위하여 뚜껑 부재(2) 상에 제공된 개구를 관통하는 돌출부(4a); 음극(22)에 접속되는 접속부를 갖는 족부(4c); 및 돌출부(4a)를 족부(4c)에 접속하는 집전체의 베이스부(4b)를 포함한다.
집전체들의 돌출부들(3a, 4a)이 외부 접속 단자들(8a, 8b)에 접속되기 위하여 뚜껑 부재(2) 상에 제공된 개구를 관통하기에, 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)는 외부 절연 부재들(10a , 10b) 및 내부 절연 부재들(11a, 11b)과 함께 뚜껑 부재(2)에 고정되어 외부 접속 단자들(8a, 8b)은 집전체들(3, 4)에 전기적으로 접속된다. 도면은 양극 집전체(3)가 하나의 족부(3c)만을 포함하고 음극 집전체(4)가 하나의 족부(4c)만을 포함하는 것을 예시하고; 하지만, 집전체들은 2개 이상의 족부들을 포함할 수 있고; 족부들은 족부들의 폭이 케이스에 꼭 들어맞는 범위를 포함하기만 하면 어떤 폭도 포함할 수 있다.
양극 집전체(3)의 족부(3c)가 양극(21)에 접속되면서 음극 집전체(4)의 족부(4c)가 음극(22)에 접속되기에, 양극(21)은 양극 집전체(3)를 통해 외부 접속 단자(8a)에 전기적으로 접속되면서 음극(22)은 음극 집전체(4)를 통해 외부 접속 단자(8b)에 전기적으로 접속된다. 이는 리튬 이온 배터리(20)가 외부 접속 단자(8)들을 통해 충전 및 방전하는 것을 가능하게 한다.
더욱이, 양극(21) 및 음극(22)을 갖는 발전 요소(12)가 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)에 고정되기에, 발전 요소(12)는 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)와 함께 뚜껑 부재(2)에 고정된다.
집전체들의 족부들(3c, 4c)은 는 U자형의 구조를 가질 수 있고, 대향 금속판의 외부면들의 각각은 양극(21) 또는 음극(22)에 접합될 수 있다.
양극 집전체(3)는 발전 요소(12)의 일종단에 배치될 수 있고, 음극 집전체(4)는 발전 요소(12)의 타종단에 배치될 수 있다. 이는 배터리에 진동이 가해질 때조차 발전 요소(12)의 진폭을 감소시킨다.
2. 발전 요소 및 비수성 전해질
발전 요소(12)는 배터리 케이스(17) 안에 충진된 비수성 전해질(5)과 배터리 반응을 유발한다. 이런 배터리 반응은 리튬 이온 배터리(20)가 충전 및 방전되는 것을 허용한다. 발전 요소(12)는: 양극(21); 음극(22); 및 세퍼레이터(24)를 포함하고, 세퍼레이터는 양극(21)과 음극(22) 사이에 배치된다. 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 발전 요소(12)는 예를 들어, 지그재그로 접히는 세퍼레이터(24); 양극(21); 및 음극(22)을 포함할 수 있다. 양극(21) 및 음극(22)은 분리되게 세퍼레이터(24)의 골 접힘부(valley fold)들에 배치되고, 양극(21)들의 각각 및 음극(22)들의 각각은 그 사이에 개재된 세퍼레이터(24)와 교대로 배치된다. 상기에 서술된 구조 이외에, 발전 요소는 일반적으로 사용되는 세퍼레이터(24)를 포함하는 와인딩형(winding type) 구조(세퍼레이터는 양극(21)과 음극(22) 사이에 배치되고; 양극(21) 및 음극(22)은 교대로 배치되고 와인딩된다(wound)); 또는 세퍼레이터(24)들을 포함하는 스택형 구조(세퍼레이터들의 각각은 양극(21)과 음극(22) 사이에 배치되고; 양극(21) 및 음극(22)은 교대로 배치되고 적층된다)를 가질 수 있다.
세퍼레이터(24)는 시트의 형태로 존재하고 양극(21)과 음극(22) 사이에 배치된다. 세퍼레이터(24)는 단락 전류가 양극(21)과 음극(22) 사이에 유동하는 것을 방지할 수 있고; 세퍼레이터는 전해질이 투과하는 것을 허용할 수 있는 세퍼레이터이기만 하면 특별하게 한정되지 않고; 하지만, 세퍼레이터의 실시예는 폴리올레핀으로 제조된 미세다공성 필름이다.
양극(21)은 양극 집전체 시트(27) 및 양극 집전체 시트(27)의 각각의 면 상에 제공된 양극 활성 물질층(25)을 포함한다. 양극(21)은 도 8(a) 및 도 8(b)에 도시된 바와 같이 형성될 수 있고 - 직사각형 양극 집전체 시트(27)는 양극 활성 물질층(25)을 갖는 양면 상에 제공된다. 양극(21)은 양극 집전체(3)에 접속되는 접속부(23)를 가질 수 있고, 도 8(a)에 도시된 접속부(23)는 양극(21)의 양극 집전체 시트(27)가 양극 활성 물질층(25)을 갖는 양면 상의 일종단에 제공되지 않는 방법으로 형성될 수 있다. 이런 도면에서, 양극은 양극 활성 물질층으로 코팅되지 않는 미코팅부(29)(집전체 시트(27)가 보이는 부분)를 갖고, 미코팅부는 집전체에 접속되는 접속부와 상이하고 양극(21)의 (점선 D-D와 평행한) 폭 방향으로 연장되는 양종단들에 배치되며; 하지만, 양극은 이런 미코팅부(29)를 구비하지 않을 수 있다. 더욱이, 양극 집전체 시트(27)는, 예를 들어, 이런 종단으로부터 돌출하는 볼록 러그부(lug portion)를 갖는 일종단에 제공될 수 있고; 양극 활성 물질층(25)은 러그부 상에 형성되지 않아 러그부는 접속부로서 기능한다.
양극 집전체 시트(27)는 전기 전도성을 갖기만 하면 특별하게 한정되지 않고, 양극 활성 물질층(25)은 표면 상에 제공되며; 하지만, 양극 집전체 시트의 실시예는 금속 호일이다. 바람직하게는 알루미늄 호일은 양극 집전체 시트로서 사용된다.
양극 활성 물질층(25)은 도전제, 결착제 등이 첨가된 양극 활성 물질의 사용으로 코팅 방법 등에 의해 양극 집전체 시트(27) 상에 형성된다. 예를 들어, 리튬 이온을 가역적으로 추출 및/또는 삽입할 수 있는 리튬 전이 금속 복합 산화물 - LiCoO2, LiNiO2, LiNixCo1 - xO2 (x = 0.01 내지 0.99), LiMnO2 , LiMn2O4, LiCoxMnyNizO2 (x + y + z = 1) 및 올리빈형 LiFePO4 및 LixFe1 - yMyPO4 (여기서 0.05 ≤ x ≤ 1.2 및 0 ≤ y ≤ 0.8; M은 Mn, Cr, Co, Cu , Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, 및 Nb 중 적어도 하나이다) - 은 양극 활성 물질로서 사용되고, 이런 리튬 전이 금속 복합 산화물은 단독 또는 둘 이상의 혼합물로서 사용될 수 있다.
음극(22)은 음극 집전체 시트(28) 및 음극 집전체 시트(28)의 각각의 면 상에 제공된 음극 활성 물질층(26)을 포함한다. 음극(22)은 도 9(a) 및 도 9(b)에 도시된 바와 같이 형성될 수 있고 - 직사각형 음극 집전체 시트(28)는 음극 활성 물질층(26)을 갖는 양면 상에 제공된다. 음극(22)은 음극 집전체(4)에 접속되는 접속부(23)를 가질 수 있고, 도 9(a)에 도시된 접속부(23)는 음극(22)의 음극 집전체 시트(28)가 음극 활성 물질층(26)을 갖는 양면 상의 일종단에 제공되지 않는 방법으로 형성될 수 있다. 더욱이, 음극 집전체 시트(28)는 상기에 서술된 양극(21)과 동일한 방식으로 러그부를 갖는 일종단에 제공될 수 있고; 음극 활성 물질층(26)은 러그부 상에 형성되지 않아 러그부는 접속부로서 기능한다. 음극은 상기에 서술된 음극(21)과 동일한 방식으로, 미코팅부(29)(집전체 시트(28)가 보이는 부분)를 구비하지 않을 수 있고, 미코팅부는 음극의 폭 방향으로 연장되는 양종단들에 배치된다.
음극 집전체 시트(28)는 전기 전도성을 갖기만 하면 특별하게 한정되지 않고, 음극 활성 물질층(26)은 표면 상에 제공되며; 하지만, 음극 집전체 시트의 실시예는 금속 호일이다. 바람직하게는 구리 호일이 음극 집전체 시트로서 사용된다.
음극 활성 물질층(26)은 도전제, 결착제 등이 첨가되는 음극 활성 물질의 사용으로 코팅 방법 등에 의해 음극 집전체 시트(28) 상에 형성된다. 예를 들어, 흑연, 부분 흑연화 탄소, LiTiO4, 또는 Sn 합금이 음극 활성 물질로서 사용되고; 이런 물질은 단독 또는 둘 이상의 혼합물로서 사용될 수 있다.
용매로서 사용되는 카보네이트, 락톤, 에테르, 에스테르 등이 비수성 전해액으로서 사용되고; 이런 용액은 둘 이상의 혼합물로서 사용될 수 있다. 이런 용액들 중에서, 환형 카보네이트 및 선형 카보네이트의 혼합물은 특히 바람직하다. 비수성 전해액은 전해질로서 리튬 염 용질 - LiCF3SO3, LiAsF6, LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiBOB, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2) 등 - 을 유기 용매로 용해함으로써 제조된다. 필요에 따라, 비수성 전해액은 하나 이상의 형태의 첨가제 예컨대 VC(비닐렌 카보네이트), PS(프로판 술톤), VEC(비닐 에틸렌 카보네이트), PRS(프로펜 술톤), 및 난연제와 혼합될 수 있다.
3. 수축 튜브
수축 튜브(15)는 튜브형상 수지 필름으로 제조되고, 열수축에 의해 발전 요소(12), 양극 집전체(3), 및 음극 집전체(4)를 함께 묶는다. 또한, 수축 필름(15)은 발전 요소(12), 양극 집전체(3), 및 음극 집전체(4)를 덮는다. 더욱이, 수축 튜브(15)는 이음매 없는 튜브임에 의해 이음매 조인트를 갖지 않는다. 이음매 없는 튜브는, 예를 들어, 코어 바디(core body)로서 금속 금형의 외측 표면 상에 수지 필름을 형성하고 금속 금형으로부터 수지 필름을 분리함으로써, 제조될 수 있다. 수축 튜브(15)는 발전 요소(12)의 이동 또는 벌지(bulge)를 억제할 수 있고 발전 요소(12)의 음극 및 양극이 상호 간에 분리되는 것을 방지할 수 있다. 특히 발전 요소(12)가 스택 구조인 경우에, 수축 튜브(15)는 양극(21) 및 음극(22)을 고정하기 위한 구성요소 또는 발전 요소(12)의 형상을 유지하기 위한 수단으로서 기능한다.
수축 튜브(15)는 양극 집전체(3), 음극 집전체(4), 및 발전 요소(12)를 둘러쌀 수 있다. 이는 수축 튜브(15)가 양극 집전체(3), 음극 집전체(4), 및 발전 요소(12)를 함께 묶고 배터리에 진동이 가해질 때조차 양극 집전체(3), 음극 집전체(4) 및 발전 요소(12)의 개별적인 진동을 억제하는 것을 가능하게 한다.
또한 수축 튜브(15)는 발전 요소(12), 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)에 밀착될 수 있다. 이는 수축 튜브가 양극 집전체(3), 음극 집전체(4) 및 발전 요소(12)를 함께 묶는 것을 가능하게 하고; 이에 따라, 수축 튜브는 배터리의 내진성을 향상시킨다.
수축 튜브(15)를 구성하는 필름을 위한 재료는 열수축가능한 수지, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리올레핀, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 또는 플루오르화 수지(예컨대 FEP 또는 PTFE)이다. 열수축된 튜브(15)는 양극 집전체(3), 음극 집전체(4), 및 발전 요소(12)를 함께 묶음으로써 둘러싼 양극 집전체(3), 음극 집전체(4), 및 발전 요소(12)의 밀착도를 증가시킬 수 있고, 그 결과로 열수축된 튜브는 리튬 이온 배터리에 가해진 진동에 의해 야기된 집전체들과 발전 요소(12) 사이의 접합에 대한 영향을 억제할 수 있다. 더욱이, 이음매 없는 수축 튜브(15)는 융착부와 미융착부 사이의 수축률에 있어 차이에 의해 야기된 응력을 제거하고; 이에 따라, 이음매 없는 수축 튜브(15)는 문제점, 예컨대 이음매 조인트에서 스플리팅을 갖지 않는다. 이는 수율도 향상시킨다. 실린더의 형태로 얇은 탄성 고무는 양극 집전체(3), 음극 집전체(4), 및 발전 요소(12)를 함께 묶는 데에 사용될 수 있고; 하지만, 수축 튜브(15)는 균형잡힌 방식으로 둘러싼 양극 집전체(3), 음극 집전체(4), 및 발전 요소(12)를 안정적으로 조이기 위하여 바람직할 수 있다.
수축 튜브(15)를 구성하는 필름은 두께가 30㎛ 이상 200㎛ 이하일 수 있다. 30㎛ 이상의 두께를 갖는 수축 튜브(15)는 충분한 강도를 가질 수 있고 수축 튜브(15)가 배터리에 진동이 가해질 때조차 스플리팅되는 것을 방지할 수 있다. 또한 200㎛ 이하의 두께를 갖는 수축 튜브(15)는 열수축 동안에 발전 요소(12)에 대한 열의 영향을 억제하기 위하여, 열수축되기에 낮은 온도를 유지할 수 있거나 열수축되는 시간을 단축할 수 있다.
수축 튜브(15)를 구성하는 필름은 바람직하게는 두께가 50㎛ 이상 150㎛ 이하이다. 이는 수축 튜브가 충분한 강도를 갖는 것을 가능하게 하고 열수축 동안에 발전 요소에 대한 영향을 저하시킨다.
도 10은 수축 튜브(15)가 배터리에 제공되는 방법의 설명도를 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 수축 튜브(15)는 수지 필름으로 제조된 이음매 없는 튜브의 형태로 존재하고, 발전 요소(12), 양극 집전체(3), 및 음극 집전체(4)가 수지 튜브(16) 내부에 삽입되고 이어서 수축 튜브가 수축되는 것을 허용하기 위하여 수지 튜브(16)가 수초 내지 수십초 동안 수축 온도보다 높은 온도로 가열되는 방법으로 배터리에 제공된다. 상기와 같이 제공된 튜브(15)는 발전 요소(12), 양극 집전체(3), 및 음극 집전체(4)를 함께 둘러싸고 묶는다. 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)는 배터리 케이스(17)에 고정되고; 이에 따라, 묶인 발전 요소(12), 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)는 배터리 케이스(17)에 고정된다. 이는 발전 요소(12), 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)가 리튬 이온 배터리(20)에 진동이 가해질 때조차 진동하고 배터리가 고장나는 것을 방지한다.
예를 들어, 만약 수축 튜브(15)가 발전 요소(12), 양극 집전체(3), 및 음극 집전체(4)를 함께 묶지 않는다면, 배터리에 인가된 진동은 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)를 개별적으로 진동시키고 집전체들의 족부들의 베이스들(3d, 4d)의 금속 피로를 야기하면서, 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)의 진폭을 악화시킨다. 또한 진동은 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)가 집전체들에 대한 손상을 야기하면서, 케이스(1)와 충돌하는 것을 야기할 수 있다. 더욱이, 진동은 모두가 발전 요소(12)를 구성하는, 양극(21), 음극(22) 및 세퍼레이터(24)가 이동되는 것을 야기할 수 있고; 양극(21)과 음극(22) 사이에 단락 전류 유동을 야기하면서, 이런 이동은 양극(21) 및 음극(22)이 세퍼레이터들로부터 강제되는 것을 야기할 수 있거나, 또는 세퍼레이터들이 부분적으로 손상되는 것을 야기할 수 있다.
수축 튜브(15)는 배터리에 대한 이러한 손상을 억제할 수 있다.
수축 튜브(15)가 이음매 없기 때문에, 수축 튜브는 배터리에 진동이 가해질 때조차 다음의 문제점들을 갖지 않는다: 발전 요소(12), 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)는 수축 튜브(15)에 응력을 야기하면서, 진동되고; 발전 요소(12), 양극 집전체(3), 및 음극 집전체(4)가 상호 간에 다 부서지는 것을 야기하면서 수축 튜브는 이음매 조인트에서 스플리팅된다.
종래의 수축 필름은 융착 또는 접착에 의해 형성된 이음매 조인트를 갖고, 이음매 조인트는 열수축 동안에 수축율에 있어 차이에 의해 야기된 응력을 겪으며; 이에 따라 이음매 조인트는 수축 필름의 다른 부분보다 낮은 강도를 갖는다. 배터리에 진동이 가해지고, 수축 필름에 응력이 가해지는 경우에, 수축 필름은 강도가 약한 이음매 영역에서 스플리팅될 것 같다. 일단 수축 필름이 스플리팅되면, 발전 요소(12), 양극 집전체(3) 및 음극 집전체(4)는 상호 간에 분리됨으로써 개별적으로 진동되어, 그 결과로 배터리가 손쉽게 손상된다.
이음매 없는 수축 튜브(15)는 다른 부분보다 강도가 더 약한 부분을 갖지 않고; 이에 따라, 수축 튜브는 문제점, 예컨대 응력을 겪는 특정한 부분에서 스플리팅을 갖지 않는다. 이는 수축 튜브(15)가 장기간 동안 배터리에 진동이 연속적으로 가해지더라도 수축 튜브(15)가 스플리팅되고 배터리가 내진성을 저하시키는 것을 방지한다.
진동 시험
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 - 5개의 상이한 형태의 리튬 이온 배터리들에 대하여 각각 5개가 준비되었고, 5개의 형태들은 각각 상이한 양상의 수축 튜브를 갖고(실시예 1 내지 실시예 5), 진동 시험에 가해졌다. 또한, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 - 3개의 상이한 형태의 리튬 이온 배터리들에 대하여 각각 5개가 준비되었고, 3개의 형태들은 수축 튜브 대신에 수축 필름을 포함하며(비교 실시예 1 내지 비교 실시예 3), 진동 시험에 가해졌다.
수축 튜브 및 수축 필름에 사용되는 재료는 폴리에틸렌이었다. 양극 집전체 및 음극 집전체의 (발전 요소에 접속될) 족부의 길이는 8㎝로 설계되었다.
1. 진동 시험의 시험 방법
준비된 리튬 이온 배터리들은 진동 장치의 플랫폼(진동대)에 견고하게 고정되었고, 리튬 이온 배터리들을 위한 진동 시험은 플랫폼을 사인파로 진동시킴으로써 실시되었다. 진동 시험에서, 진동 시험 사이클(cycle)은 각각 배터리의 3개의 방향 - X 방향, Y 방향, 및 Z 방향 - 으로 12회 실시되었다. 진동 시험 사이클에서, 주파수가 15분 동안 대수 스윕 방식(logarithmic sweep manner)으로 7㎐ → 200㎐ → 7㎐로 변경되면서 배터리가 진동되었다. 즉, 배터리는 각각의 방향으로 3시간 동안 진동되었다.
진동 시험 사이클 동안에, 피크(peak) 가속도는 7㎐ 내지 18㎐의 주파수에서 1G로 유지되었고; 진폭은 18㎐ 내지 50㎐의 주파수에서 0.8㎜로 유지되었으며(전체 진폭은 1.6㎜였다); 가속도는 피크 가속도가 8G에 도달되었을 때까지 증가되었다. 8G의 피크 가속도는 50㎐ 내지 200㎐의 주파수에서 유지되었다.
2. 비교 실시예 1
비교 실시예 1에서, 단일층 수축 필름을 구비하였던 리튬 이온 배터리들이 준비되었고; 이런 리튬 이온 배터리들에 진동 시험이 가해졌다. 이런 수축 필름은 폴리에틸렌으로 제조되었고 두께가 50㎛이었으며; 발전 요소, 양극 집전체 및 음극 집전체는 단일층 형태로 수축 필름으로 포장되었고; 이어서 중첩부는 열융착되었으며; 이어서 이런 폴리에틸렌 필름은 열수축되었다.
이런 구조를 갖는 모든 배터리들은 진동 시험 이후에 분해되었고, 다음이 발견되었다: 모든 시험된 배터리들의 수축 필름은 필름이 중첩되었고 융착되었던 이음매 영역에서 스플리팅되었고; 집전체들의 족부들은 이런 베이스에서 파손되었다. 집전체들의 족부들의 베이스들이 파손되었던 원인은 비록 수축 필름이 스플리팅되기 이전에 수축 필름이 집전체들의 족부들에서 진동을 억제하였더라도, 집전체들의 족부들의 베이스들에 상당한 응력을 야기하면서, 수축 필름이 스플리팅된 이후에 집전체들의 족부들은 상당히 크게 진동한 것으로 생각되었다.
3. 비교 실시예 2
비교 실시예 2에서, 이중층 수축 필름을 구비하였던 리튬 이온 배터리들이 준비되었고; 이런 리튬 이온 배터리들에 진동 시험이 가해졌다. 이런 수축 필름들 각각은 폴리에틸렌 필름으로 제조되었고 두께가 50㎛이어서 다음의 순서로 포장하였고; 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체는 단일층 형태로 제 1 수축 필름으로 포장되었고; 중첩부는 열융착되었으며; 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체는 제 1 수축 필름 위에 단일층 형태로 제 2 수축 필름으로 포장되었고; 제 2 수축 필름의 중첩부는 열융착되었으며; 이런 폴리에틸렌 필름은 열수축되었다.
이런 구조를 갖는 모든 배터리들은 진동 시험 이후에 분해되었고, 다음이 발견되었다: 모든 시험된 배터리들의 모든 수축 필름들은 모든 필름들이 중첩되었고 융착되었던 이음매 영역에서 스플리팅되었고; 4개의 배터리들의 집전체들의 족부들은 이런 베이스들에서 파손되었다.
4. 비교 실시예 3
비교 실시예 3에서, 두께가 100㎛이었고 폴리에틸렌으로 제조된 단일층 수축 필름을 구비하였던 리튬 이온 배터리들이 준비되었고; 이런 리튬 이온 배터리들에 진동 시험이 가해졌다. 이런 수축 필름은 폴리에틸렌으로 제조되었고 두께가 100㎛이었으며; 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체는 단일층 형태로 수축 필름으로 포장되었고; 이어서 중첩부는 열융착되었으며; 이어서 이런 폴리에틸렌 필름은 열수축되었다.
이런 구조를 갖는 모든 리튬 이온 배터리들은 진동 시험 이후에 분해되었고, 다음이 발견되었다: 모든 시험된 배터리들의 수축 필름은 필름이 중첩되었고 융착되었던 이음매 영역에서 스플리팅되었고; 집전체들의 족부들은 이런 베이스들에서 균열되었다.
5. 실시예 1
실시예 1에서, 두께가 30㎛이었고 폴리에틸렌 필름으로 제조된 이음매 없는 폴리에틸렌 튜브를 구비하였던 리튬 이온 배터리들이 준비되어서 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체는 폴리에틸렌 튜브 안에 삽입되었고; 이어서 폴리에틸렌 튜브는 열수축되어 이런 리튬 이온 배터리들에 진동 시험이 가해졌다.
이런 구조를 갖는 모든 리튬 이온 배터리들은 진동 시험 이후에 분해되었고, 다음이 발견되었다: 2개의 시험된 배터리들의 수축 튜브는 단지 약 2㎜의 길이로 집전체들의 상측부 근처에서 약간 스플리팅되었다. 집전체들의 족부들의 베이스들 중 아무것도 파손되거나 균열되지 않았다.
6. 실시예 2
실시예 2에서, 두께가 50㎛이었고 폴리에틸렌 필름으로 제조된 이음매 없는 폴리에틸렌 튜브를 구비하였던 리튬 이온 배터리들이 준비되어서 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체는 폴리에틸렌 튜브 안에 삽입되었고; 이어서 폴리에틸렌 튜브는 열수축되어 이런 리튬 이온 배터리들에 진동 시험이 가해졌다.
이런 구조를 갖는 모든 리튬 이온 배터리들은 진동 시험 이후에 분해되었고, 다음이 발견되었다: 모든 시험된 배터리들의 수축 튜브는 스플리팅되지 않았다. 또한, 집전체들의 족부들의 베이스들 중 아무것도 파손되거나 균열되지 않았다.
7. 실시예 3
실시예 3에서, 두께가 100㎛이었고 폴리에틸렌 필름으로 제조된 이음매 없는 폴리에틸렌 튜브를 구비하였던 리튬 이온 배터리들이 준비되어서 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체는 폴리에틸렌 튜브 안에 삽입되었고; 이어서 폴리에틸렌 튜브는 열수축되어 이런 리튬 이온 배터리들에 진동 시험이 가해졌다.
이런 구조를 갖는 모든 리튬 이온 배터리들은 진동 시험 이후에 분해되었고, 다음이 발견되었다: 모든 시험된 배터리들의 수축 튜브는 스플리팅되지 않았다. 또한, 집전체들의 족부들의 베이스들 중 아무것도 파손되거나 균열되지 않았다.
8. 실시예 4
실시예 4에서, 두께가 150㎛이었고 폴리에틸렌 필름으로 제조된 이음매 없는 폴리에틸렌 튜브를 구비하였던 리튬 이온 배터리들이 준비되어서 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체는 폴리에틸렌 튜브 안에 삽입되었고; 이어서 폴리에틸렌 튜브는 열수축되어 이런 리튬 이온 배터리들에 진동 시험이 가해졌다.
이런 구조를 갖는 모든 리튬 이온 배터리들은 진동 시험 이후에 분해되었고, 다음이 발견되었다: 모든 시험된 배터리들의 수축 튜브는 스플리팅되지 않았다. 또한, 집전체들의 족부들의 베이스들 중 아무것도 파손되거나 균열되지 않았다.
9. 실시예 5
실시예 5에서, 두께가 200㎛이었고 폴리에틸렌 필름으로 제조된 이음매 없는 폴리에틸렌 튜브를 구비하였던 리튬 이온 배터리들이 준비되어서 발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체는 폴리에틸렌 튜브 안에 삽입되었고; 이어서 폴리에틸렌 튜브는 열수축되어 이런 리튬 이온 배터리들에 진동 시험이 가해졌다.
이런 구조를 갖는 모든 리튬 이온 배터리들은 진동 시험 이후에 분해되었고, 다음이 발견되었다: 모든 시험된 배터리들의 수축 튜브는 스플리팅되지 않았다. 또한, 집전체들의 족부들의 베이스들 중 어떤 것도 파손되거나 균열되지 않았다.
1: 케이스
2: 뚜껑 부재
3: 양극 집전체
4: 음극 집전체
3a, 4a: 돌출부
3b, 4b: 집전체 베이스부
3c, 4c: 집전체 족부
3d, 4d: 집전체 족부의 베이스
5: 비수성 전해질
6a, 6b: 스크류 부재
8a, 8b: 외부 접속 단자
10a, 10b: 외부 절연 부재
11a, 11b: 내부 절연 부재
12: 발전 요소
15: 수축 튜브
16: 수지 튜브
17: 배터리 케이스
20: 리튬 이온 배터리
21: 양극
22: 음극
23: 접속부
24: 세퍼레이터
25: 양극 활성 물질층
26: 음극 활성 물질층
27: 양극 집전체 시트
28: 음극 집전체 시트
29: 활성물질 미코팅부

Claims (7)

  1. 양극과 음극이 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 적층된 구조를 갖는 발전 요소;
    양극에 접속된 양극 집전체;
    음극에 접속된 음극 집전체;
    발전 요소, 양극 집전체, 및 음극 집전체를 함께 묶은 수축 튜브;
    비수성 전해질; 및
    발전 요소, 양극 집전체, 음극 집전체, 수축 튜브, 및 비수성 전해질을 수용하는 배터리 케이스를 포함하되,
    양극 집전체 및 음극 집전체는 배터리 케이스에 고정되고,
    수축 튜브는 이음매 없는 튜브인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    양극 집전체는 발전 요소의 일단에 배치되고 음극 집전체는 발전 요소의 타단에 배치되며,
    수축 튜브는 양극 집전체, 음극 집전체, 발전 요소를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    수축 튜브는 발전 요소, 양극 집전체 및 음극 집전체에 밀착되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수축 튜브는 두께가 30㎛ 이상 200㎛ 이하인 필름으로 제조된 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    배터리 케이스는 개구를 갖는 케이스, 및 개구를 폐쇄하기 위한 뚜껑 부재를 포함하고,
    양극 집전체 및 음극 집전체는 뚜껑 부재에 고정되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수축 튜브는 열수축되어 양극 집전체, 음극 집전체, 및 발전 요소를 함께 묶는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    발전 요소는 지그재그로 접히는 세퍼레이터를 포함하고,
    양극 및 음극은 세퍼레이터의 골 접힘부에 배치되고, 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리.
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